Development of an energy model to assess the potential role of hydrogen in the Italian energy system in a long-term scenario

The international agreements for 2030 have imposed a coverage of final energy consumption of at least 32 % from renewable sources. For Italy, the National Energy and Climate Plans (NECPs) made the projection of almost the doubling of the installed capacity of photovoltaic and wind power with respect to the current one, which will cause greater instability in the balance between supply and demand. In a 2050 scenario, with a complete decarbonisation target, the penetration of Renewables (RE) is expected to be much greater, with the inevitable development of seasonal overgeneration situations. In this perspective, the production of hydrogen and synthetic fuels deriving from excess electricity is inserted. However, the definition of effective policies for the development and diffusion of these technologies is hindered by the lack of projections that evaluate their potential. With this in mind, this work aims to develop a pre-existing and publicly accessible model, implementing the emerging processes related to the production of hydrogen and its by-products. The model is set on the solution of a linear optimization problem, pursuing the optimization of the energy resources used through the minimization of the supply costs only. The developed tool is therefore suitable for analyzing 2050 scenarios, returning a year-simulation with an hourly time-step. The model is applied to the Italian energy system, which is described with a national spatial resolution. A scenario is therefore analyzed in which the minimization of the consumption of fossil resources (natural gas) or non-free (biomass) is pursued, assessing the role of the hydrogen supply chain not only in the power sector but also in other sectors such as industry and transport.

Gli accordi internazionali per il 2030 hanno imposto una copertura dei consumi energetici finali di almeno il 32% da fonti rinnovabili. Per l’Italia il Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima (PNIEC) prevede circa il raddoppio della capacità installata di fotovoltaico e eolico rispetto all’attuale, determinando maggiori instabilità nell’equilibrio fra domanda e offerta. In uno scenario al 2050, con gli obiettivi proposti di decarbonizzazione completa, la penetrazione delle rinnovabili è attesa essere molto maggiore, con l’inevitabile sviluppo di eccessi di produzione stagionali. In questa ottica si inserisce la produzione di idrogeno e combustibili sintetici derivati dall’elettricità in eccesso. Tuttavia, la definizione di politiche nazionali efficaci per lo sviluppo e la diffusione di queste tecnologie risulta ostacolata dalla scarsità di previsioni che ne valutino le potenzialità. In quest’ottica, questo lavoro si pone l’intento di sviluppare un modello pre-esistente e pubblicamente accessibile, implementando i processi emergenti legati alla produzione di idrogeno e suoi derivati. Tale modello è impostato sulla risoluzione di un problema di ottimizzazione lineare, perseguendo l’ottimizzazione delle risorse energetiche utilizzate attraverso la minimizzazione dei soli costi di approvigionamento. Lo strumento sviluppato risulta quindi idoneo ad analizzare scenari al 2050, restituendo una simulazione di un anno solare con un dettaglio temporale orario. Il modello è applicato al sistema energetico italiano, il quale viene descritto con una risoluzione spaziale nazionale. Viene così analizzato uno scenario nel quale si persegue la minimizzazione del consumo di risorse fossili (gas naturale) o non gratuite (biomassa), valutando il ruolo della filiera dell’idrogeno non solamente nel settore elettrico ma anche in altri settori come industria e trasporto.